通過(guò)強化柔性導線(xiàn)的性能提高汽車(chē)座椅加熱系統的安

魯棒的布線(xiàn)、熱監測和控制能夠避免導線(xiàn)斷裂、阻燃并防止火災，但是，所需要的設計工程方法卻常常與直覺(jué)背道而馳。

汽車(chē)電子布線(xiàn)的作用除了把電源或控制及傳感器信號從汽車(chē)內的一點(diǎn)連接到另外一點(diǎn)之外，其中一種應用就是座椅加熱器的布線(xiàn)。如果在這個(gè)部位出故障，就可能導致座椅無(wú)法加熱或者引起燃燒和火災。為座椅加熱器設計一種加熱導線(xiàn)面臨許多挑戰，首要挑戰就是機械可撓性和溫度控制，目前最常用的兩種材料是碳酸纖維和純銅線(xiàn)束。

導線(xiàn)的絕緣材料有氟樹(shù)脂和搪瓷。典型情況下，導線(xiàn)要密封在一種纖維/泡沫塑料之中，以在導線(xiàn)的兩邊創(chuàng )建外殼，最后，通常用粘合劑保護起來(lái)。

導線(xiàn)的動(dòng)態(tài)特性

乘員進(jìn)出座位的過(guò)程中需要在側墊上滑動(dòng)，這個(gè)動(dòng)作對側墊的內部加熱導線(xiàn)產(chǎn)生一種漸進(jìn)的摩擦和刮擦，誘導出相當大的壓力。在座位中翹曲和挪動(dòng)的人也會(huì )對導線(xiàn)產(chǎn)生壓力。

對于金屬導線(xiàn)，邏輯上建議采用橫截面積大的導線(xiàn)，拉力越大，伸縮性能就越強。任何解決方案都不能脫離實(shí)際。

拉力很重要，但是，導線(xiàn)的柔軟性也同等重要。在現有采用純銅線(xiàn)的座椅加熱器中可以看到這一點(diǎn)。這樣的加熱器由許多直徑很小的導線(xiàn)綁在一起而構成，這些較細的導線(xiàn)比具有同樣電阻的粗導線(xiàn)更為柔軟；不幸的是，導線(xiàn)繩因在縱向擰成，其柔軟性不夠優(yōu)化。

為此，要把導線(xiàn)的設計調整為圍繞柔性線(xiàn)芯來(lái)螺旋纏繞導線(xiàn)。這種纏繞方法增強了導線(xiàn)的柔軟性，極大地提高了導線(xiàn)的動(dòng)態(tài)性能。螺旋纏繞的導線(xiàn)的性能比純導線(xiàn)的性能提高了10倍。

熱電纜具有其自身的柔性測試方法(見(jiàn)下圖)。這種測試的目標是在努力設計螺旋纏繞導線(xiàn)的過(guò)程中應用更為魯棒和嚴格的測試，使之適合于現場(chǎng)實(shí)際使用環(huán)境對動(dòng)態(tài)性能的要求。這種測試已經(jīng)被添加到國際電子技術(shù)委員會(huì )(IEC)測試規范之中。

下圖所示為導線(xiàn)開(kāi)始著(zhù)火的一張座椅的例子。防止這些座椅著(zhù)火的第一步是提高導線(xiàn)的簡(jiǎn)單機械能力，使之達到經(jīng)重復彎曲而不過(guò)早斷列的性能。第二步是精確地監測導線(xiàn)的溫度。

過(guò)熱保護

通過(guò)單一溫度調節裝置，可以控制現有座椅加熱器內的加熱導線(xiàn)。毫無(wú)疑問(wèn)，單一溫度調節裝置的“熱檢測面積”是有限的，特別是在本地過(guò)熱熱點(diǎn)出現的位置遠離溫度調節裝置的情況下。

為了簡(jiǎn)化過(guò)熱保護，可能要采用溫度傳感聚合體；這種溫度傳感聚合體會(huì )在預先設定的、比座椅的燃燒溫度要低的溫度熔斷。傳統上，人們采用熔斷層來(lái)創(chuàng )建一個(gè)極低的電阻，該電阻從電源吸取大量電流并燒斷保險費。然而，為了達到座椅加熱所需要的電阻，要并聯(lián)附加兩個(gè)螺旋纏繞的單元線(xiàn)。在這種情況下，熔斷層不再引起電流的增加，因為兩個(gè)導線(xiàn)之間的電壓與每一個(gè)導線(xiàn)上的每一點(diǎn)的電壓相同。

為了有效地利用熔斷層，要暫時(shí)切斷兩導線(xiàn)之間的連接，僅僅留出并聯(lián)電阻一端的結合點(diǎn)附加到電源上。如果在此期間監測到電流流過(guò)結合點(diǎn)，那么，它應該比正常數值要小得多；在可熔斷層熔斷的情形下，如果吸取的電流仍然較高，那么，就表示出現了過(guò)熱的情形。

溫度監測

通過(guò)采用也是熱敏電阻的導線(xiàn)，可以精確地控制溫度。因此，溫度傳感可以在導線(xiàn)本身上被測量出。下圖顯示了具有NTC熱敏電阻層的螺旋纏繞的導線(xiàn)(負溫度系數)。

該導線(xiàn)具有兩個(gè)已加熱的、由一個(gè)NTC熱敏電阻塑料材料隔離的電路。NTC層具有兩個(gè)功能：

1. 監測整個(gè)溫度

2. 檢測熱點(diǎn)

在設計反饋傳感器導線(xiàn)的過(guò)程中，要考慮的重要一點(diǎn)是熱敏電阻聚合體的長(cháng)期穩定性?？刂颇K的電子電路從具有窄帶容差的導線(xiàn)重復地接收一致的信號是至關(guān)重要的。這種一致性是通過(guò)采用受控加工工藝技術(shù)對熱敏電阻聚合體的加工而實(shí)現的。

NTC和PTC(正溫度系數)技術(shù)容許控制器分別確定過(guò)熱局部面積和平均元件溫度。但是，這種依賴(lài)于溫度變化的技術(shù)會(huì )造成電阻產(chǎn)生可重復和可預見(jiàn)的變化。在低頻時(shí)。NTC隔離層可以采用多個(gè)并聯(lián)電阻來(lái)建模，如下圖所示。

每一個(gè)電阻的數值以算術(shù)函數的形式所溫度變化。因此，如果兩個(gè)導線(xiàn)由它們之間的一層NTC材料電阻隔離，那么，就可以采用下列等式計算兩導線(xiàn)之間的電阻：

其中，a和b是常數，取決于NTC材料的用量、導線(xiàn)之間的接觸表面積、NTC材料和單位長(cháng)度，其中T是NTC材料的溫度。整個(gè)NTC電阻是所有單位長(cháng)度總和的倒數。

當電阻并聯(lián)時(shí)，如果電阻具有比其它電阻低得多的電阻，那么，總電阻可以被近似為最低電阻。

因此可見(jiàn)，如果NTC材料的一部分的溫度增加，那么，兩導線(xiàn)之間的整個(gè)電阻的溫度就大約等于NTC材料最熱那部分的電阻。對于由NTC材料構成的短線(xiàn)(即小于20m)，單元線(xiàn)(例如小于0.5米)的一小段溫度升高了30度，那么，就會(huì )對整個(gè)NTC材料導線(xiàn)的電阻產(chǎn)生顯著(zhù)的影響。因此，通過(guò)監測NTC隔離層的電阻，如果電阻的數值大幅度減少的話(huà)，控制器就可以確定本地存在溫度上升的過(guò)熱區域。

測量NTC的電阻

有可能采用幾種方法來(lái)測量NTC的電阻，其優(yōu)勢各有不同，在設計這種電路的時(shí)候，需要考慮采用哪種方法。首先，要注意低溫時(shí)NTC材料的固有電阻非常高，是幾十兆歐數量級；根據歐姆定律，在低壓時(shí)(如汽車(chē)應用中的12V)該固有電阻等于通過(guò)隔離層的非常低的電流。例如，如果NTC隔離層的電阻在20度時(shí)為30兆歐，那么，在12V時(shí)流過(guò)隔離層的電流為0.4mA。測量NTC電阻的一種方法是采用不同的放大器和具有NTC層的小數值串聯(lián)電阻(見(jiàn)下圖)。

還有一種測量NTC電阻的方法，那就是創(chuàng )建一個(gè)RC濾波器，其中固定電容與NTC電阻串聯(lián)。隨著(zhù)NTC層的電阻的改變，濾波器的轉移函數將相應地改變。

因此，對于合適頻率的交流信號(當NTC材料工作于20度時(shí)，接近濾波器的截止頻率)，隨著(zhù)NTC材料溫度的增加，根據濾波器的配置，截止頻率要么變低，要么變高。該交流信號也將受相移的影響，相移的影響，并依賴(lài)于溫度的變化。這就引入兩種測量NTC電阻的方法。

測量PTC的阻抗

PTC技術(shù)采用已知溫度系數的特殊金屬材料電阻，以便計算平均元件溫度。隨著(zhù)金屬溫度的增加，電阻也以線(xiàn)性關(guān)系增加。NTC隔離層則相反，PTC線(xiàn)的模型由串聯(lián)起來(lái)的許多電阻構成。這就產(chǎn)生一種效應：任何本區域的過(guò)熱都將對整個(gè)已測PTC電阻產(chǎn)生負面影響。

測量PTC電阻最簡(jiǎn)單的方法是讓PTC導線(xiàn)流過(guò)恒定的電流。隨著(zhù)導線(xiàn)溫度的增加，電阻也會(huì )增加；根據歐姆定律，PTC導線(xiàn)兩端的電壓將減小。PTC導線(xiàn)的端電壓可以由微處理器上的模擬-數字轉換器來(lái)監測，然后，根據監測結果計算元件的溫度。

經(jīng)濟性

上述電熱調節器導線(xiàn)和控制模塊的總體技術(shù)比現有座椅加熱技術(shù)的經(jīng)濟性更有競爭力，產(chǎn)品的設計更為魯棒，使用更安全。